一种利用非冻结模型冰获取碎冰中船模阻力的测量系统和测量方法 |
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| 申请号 | CN201710351000.X | 申请日 | 2017-05-18 | 公开(公告)号 | CN107014587A | 公开(公告)日 | 2017-08-04 |
| 申请人 | 哈尔滨工程大学; | 发明人 | 郭春雨; 田太平; 赵大刚; 骆婉珍; 徐佩; 宋妙妍; | ||||
| 摘要 | 本 发明 提供一种利用非冻结模型 冰 获取碎冰中船模阻 力 的测量系统和测量方法，首先通过选择一种常规拖曳 水 池的非冻结模型冰来代替冰水池中的冻结模型冰，从而使不具备低温环境的拖曳水池具备了模拟碎冰工况的条件，然后在拖曳水池表面设计了独特的浮筒 围栏 结构，实现了对碎冰航道的模拟，并使用测力 传感器 实现了对不同航速下船模阻力的测量。另外，本发明采用先测量开阔水域的阻力，再在浮冰工况下测量很低航速(0.02m/s)下的阻力等手段，分离出了开阔水域阻力、浮冰阻力和清冰阻力等成分，并预报相应船模和实船在碎冰工况下的阻力性能。本发明在目前国内冰水池设施不完善的情况下，为碎冰中船模阻力的测量提供了新的思路。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种利用非冻结模型冰获取碎冰中船模阻力的测量系统，其特征在于：在拖曳水池两个相对的内壁处分别设置有浮筒围栏模块，在浮筒围栏模块之间设置有模型冰组合，在模型冰组合之间设置有试验船模，在两个浮筒围栏模块的端部间设置有可旋转的活动门，所述试验船模上设置有数据采集模块、数据处理模块和四自由度试航仪，数据采集模块包括与四自由度试航仪连接的测力传感器和位移传感器且数据采集模块完成对船模受力和运动姿态的测量，所述四自由度试航仪还与拖车模块连接。 |
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| 说明书全文 | 一种利用非冻结模型冰获取碎冰中船模阻力的测量系统和测量方法 技术领域[0001] 本发明涉及一种利用非冻结模型冰获取碎冰中船模阻力的测量系统和测量方法，属于实验测量技术领域。 背景技术[0002] 随着全球气候的变暖，北极冰川逐渐融化，这给北极航道的开通和北极丰富资源的开发提供了可能，世界各国围绕北极地区展开的博弈也愈演愈烈。而极地冰区船舶是低温多冰、气候极其恶劣的北极地区进行资源勘探、开发、运输及科考的重要装备和载体，必将发挥着核心作用。因此，世界各国纷纷加大了冰区船舶的设计、建造力度，以扩大在北极地区的影响力。然而，其快速性的预报往往需要通过低温冰水池实验来完成，我国目前还缺少低温冰工程实验室等相关设施，也就很难进行相关内容的研究。 发明内容[0003] 本发明的目的是为了可以在不需要低温的环境下进行碎冰中冰区船模的阻力性能的研究而提供一种利用非冻结模型冰获取碎冰中船模阻力的测量系统和测量方法，具体来说就是使用聚丙烯非冻结模型冰在常规拖曳水池中模拟碎冰环境，用实验手段来确定船模阻力的大小。 [0004] 本发明的目的是这样实现的：在拖曳水池两个相对的内壁处分别设置有浮筒围栏模块，在浮筒围栏模块之间设置有模型冰组合，在模型冰组合之间设置有试验船模，在两个浮筒围栏模块的端部间设置有可旋转的活动门，所述试验船模上设置有数据采集模块、数据处理模块和四自由度适航仪，数据采集模块包括与四自由度适航仪连接的测力传感器和位移传感器且数据采集模块完成对船模受力和运动姿态的测量，所述四自由度适航仪还与拖车模块连接。 [0005] 本发明还包括这样一些结构特征： [0006] 1.浮筒围栏模块由PVC管材通过连接头组合而成，浮筒围栏模块的长宽比为10:1。 [0007] 2.所述模型冰组合由边长比为5：10：15：20：25：30：35的非冻结模型冰组成，边长比为5：10：15：20：25：30：35的非冻结模型冰的数量比例满足7：8：12：18：24：15：5，每个非冻结模型冰均是聚丙烯模型冰。 [0008] 3.一种利用非冻结模型冰获取碎冰中船模阻力的测量方法， [0009] 步骤1：将试验船模下水，放入压载并调整浮态； [0010] 步骤2：将测力传感器和位移传感器一端连接到试验船模、另一端与计算机相连，并完成数据采集模块的调试； [0011] 步骤3：启动拖车模块将试验船模加速至设定航速，同时启动数据采集模块记录总阻力值随时间的变化情况； [0012] 步骤4：将数据采集模块采集到的数据输入数据处理模块，得到各个不同阻力成分的阻力系数，进而预报试验船模和对应实船的总阻力。 [0013] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：1.具有普遍适用性：由于采用非冻结聚丙烯模型冰，不需要低温环境，在目前国内不具备冰工程实验室等基础设施的条件下，现有常规拖曳水池都能采用该测量系统和方法测量冰区船模的阻力性能。2.经济性好：在冰工程实验室中完成船模阻力性能试验的花费是非常高的，涉及到冻结模型冰的反复制取，期间运营成本十分巨大。该发明不需要低温环境，且聚丙烯模型冰可以反复利用，很大程度上节约了试验成本。3.操作方便：充分利用了现有拖曳水池的条件，设计了简单有效的围栏结构，形成了整套的测量系统，并采用了科学合理的测量方法，操作简单方便。4.可靠性高：通过与国外冰工程实验室中船模试验结果对比分析，发现该测量系统和方法所得测量结果有较高的可靠性。附图说明 [0014] 图1是本发明测量系统的原理图； [0015] 图2是本发明船模-测力传感器-适航仪装配原理图； [0016] 图3是本发明的不同尺度的聚丙烯模型冰块试样图； [0017] 图4是本发明碎冰总阻力测量步骤流程图； [0018] 图5是本发明数据处理模块工作流程图。 [0019] 图中：1-拖曳水池，2-PVC管材浮筒围栏模块，3-拖曳水池内壁，4-模型冰，5-试验船模，6-船舶航行方向，7-数据采集模块，8-数据处理模块，9-可旋转活动门，10-测力传感器和位移传感器，11-四自由度适航仪，12-尺寸为5的模型冰，13-尺寸为10的模型冰，14-尺寸为15的模型冰，15-尺寸为20的模型冰，16-尺寸为25的模型冰，17-尺寸为30的模型冰，18-尺寸35的模型冰。 具体实施方式[0020] 下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。 [0021] 结合图1至图5，本发明包括1-拖曳水池、4-模型冰、浮筒围栏模块、拖车模块、7-数据采集模块、8-数据处理模块、5-试验船模； [0022] 模型冰模块使用模型冰组合，具体采用的是一定厚度的聚丙烯板按照一定的尺寸切割，最终形成聚丙烯模型冰块4分别为：尺寸为5的模型冰12，尺寸为10的模型冰13，尺寸为15的模型冰14，尺寸为20的模型冰15，尺寸为25的模型冰16，尺寸为30的模型冰17，尺寸35的模型冰18，其数量分布规律满足7：8：12：18：24：15：5，符合实际冰块的尺寸分布规律，其中聚丙烯模型冰与冻结模型冰的密度、摩擦系数相似，能够实现碎冰航道的模拟。 [0023] 浮筒围栏模块是由口径110mm的PVC管材2通过连接头组合而成的，采用4m和3m的管材若干，用四通或三通接头连接管材形成宽度是船模宽度3-5倍的模拟碎冰航道，整个浮筒围栏结构的长宽比为10:1，它与非冻结模型冰块、拖曳水池内壁3共同完成碎冰航道的模拟，且浮筒围栏模块设置在拖曳水池内壁3处。 [0024] 拖车运动模块实现船模以恒定航速，按照给定的船舶航行方向6在碎冰航道中运动，数据采集模块7通过四自由度适航仪11连接的测力传感器和位移传感器10完成对船模受力和运动姿态的测量。 [0025] 数据处理模块8完成对采集数据的协同处理，将船模在碎冰中的总阻力分成开阔水域阻力、浮冰阻力和清冰阻力三种成分，并采用不同的表达式来求解，最终得到碎冰中船模总阻力的表达式，实现其阻力性能的预报。 [0026] 本发明采用聚丙烯模型冰4代替冻结模型冰，以适应常温的实验环境。 [0028] 加入一种很低航速的实验工况(0.02m/s)，得到浮冰阻力成分，进而分离出了浮冰中船模阻力的各种阻力成分，本发明称之为慢船法。 [0029] 步骤1：模型冰采用的是聚丙烯板按照一定的尺寸切割，最终形成聚丙烯模型冰块的边长分别为5、10、15、20、25、30、35，其数量分布规律满足7：8：12：18：24：15：5，符合实际冰块的尺寸分布规律并测量聚丙烯模型冰块密度ρi以及聚丙烯模型冰块表面与船体表面之间的摩擦系数λ，聚丙烯模型冰与冻结模型冰的密度相似，能够实现碎冰航道的模拟。 [0030] 步骤2：在拖曳水池1的一定范围内，将口径为100mm的PVC管材，采用4m和3m的管材若干，用四通或三通接头连接管材形成宽度是船模宽度3-5倍的模拟碎冰航道，整个浮筒围栏结构的长宽比为10:1，通过与水池的池壁相连形成围栏结构。PVC管材开口处用树脂材料密封，并在连接成围栏结构时加入适当的配重，保证围栏整体高度的一半浸入水中。另外，为了防止模型冰从围栏开口处漂出，设计了可旋转活动门9。 [0031] 步骤3：在设计的碎冰航道中均匀布置步骤1中制作成的非冻结模型冰-聚丙烯模型冰块，完成碎冰测试环境的模拟。 [0032] 步骤4：将船模下水，放入压载并调整浮态，然后与四自由度适航仪相连，即完成船模与拖车运动模块的相连。 [0033] 步骤5：将测力传感器和位移传感器一端连接到船模，另一端与计算机相连，完成数据采集模块的调试。 [0034] 步骤6：启动拖车运动模块将船模加速至设定航速，同时启动数据采集模块记录总阻力值随时间的变化情况。 [0035] 步骤7：将采集到的数据输入数据处理模块，得到各个不同阻力成分的阻力系数，进而预报船模和对应实船的总阻力。 [0036] 如图1所示流程图，本发明获得碎冰中船模阻力的过程首先需要制作聚丙烯模型冰，并组装长宽比为10:1的浮筒围栏结构，采用4m和3m的管材若干，用四通或三通接头连接管材形成宽度是船模宽度3-5倍的模拟碎冰航道，整个浮筒围栏结构的长宽比为10:1，模拟实际碎冰航道环境，具体包括如下过程。 [0037] 模型冰采用的是聚丙烯板按照一定的尺寸切割，最终形成聚丙烯模型冰块的边长分别为5、10、15、20、25、30、35，其数量分布规律满足7：8：12：18：24：15：5，符合实际冰块的尺寸分布规律并测量聚丙烯模型冰块密度ρi以及聚丙烯模型冰块表面与船体表面之间的摩擦系数λ，聚丙烯模型冰与冻结模型冰的密度相似，能够实现碎冰航道的模拟。 [0038] 布置围栏之前首先在船模水池试验测量船模在不同航速V下开阔水域的阻力ROW。 [0039] 具体实验前使用口径为110mm的PVC管材组成围栏，本发明采用4m和3m的管材若干，用四通或三通接头连接管材形成宽度是船模宽度3-5倍的模拟碎冰航道，整个浮筒围栏结构的长宽比为10:1。另外，考虑到PVC管材本身重量轻和浸水沉没等问题，需要将所有管材端部用树脂材料进行密封，再在组装围栏结构时用适当重量的条状压铁与其捆绑，最终是整个围栏结构处于半入水状态。然后，在围栏范围内均匀布置前面制作成的聚丙烯模型冰块，完成碎冰测试环境的模拟。 [0040] 将船模下水，放入压载并调整浮态，然后与四自由度适航仪相连，即完成船模与拖车运动模块的相连。将测力传感器和位移传感器一端连接到船模，另一端与计算机相连，完成数据采集模块的调试。 [0041] 此时，已经完成实验前的准备工作，启动拖车将船模加速至设定航速，同时启动数据采集系统记录总阻力值随时间的变化情况，然后读出稳定段总阻力的平均值RT。 [0042] 船模在碎冰中的总阻力分为开阔水域阻力、浮冰阻力和清冰阻力三种成分，即： [0043] RT＝ROW+RB+RC (1) [0044] 其中：RT为总阻力，ROW为开阔水域阻力，RB为浮冰阻力，RC为清冰阻力，开阔水域阻力和清冰阻力跟航速有关，浮冰阻力跟航速无关。 [0045] ROW＝COWV2 (2) [0046] RB＝CBΔρghiBT (3) [0047] RC＝CCFh-αρiBhiV2 (4) [0048] 其中，COW为开阔水域阻力系数，CB为浮冰阻力系数，Fh为冰厚范围内的傅汝德数α为傅汝德数指数，ρi为冰密度，ρw为水密度，Δρ为水密度与冰密度的差，g为重力加速度，hi为模型冰厚度，B为船宽，T为船吃水，V为航速。 [0049] 该发明采用慢船法分离出了浮冰阻力成分，即在实验过程中，在浮冰工况下，测量极低航速(0.02m/s)时对应的阻力RT(V→0)大小，该阻力可以认为与浮冰阻力RB的大小相等。 [0050] 于是根据公式(1)，有： [0051] RC＝RT-(ROW+RB) (5) [0052] 从而确定了各个阻力成分，分别计算得出各个阻力系数。最终实现对实船碎冰中总阻力的预报。具体方法如下： [0053] (1)COW的确定 [0054] 根据公式(2)作不同航速下ROW-V2曲线图，其斜率即为COW的大小。 [0055] (2)CB的确定 [0056] 根据公式(3)变形得到： [0057] [0058] 从而求出CB的大小。 [0059] (3)CC的确定 [0060] 根据公式(4)变形得到： [0061] [0062] 可以看出，lnRC/(ρiBhiV2)与lnFh呈线性关系，作不同航速下lnRC/(ρiBhiV2)-lnFh曲线图，然后，通过曲线图的斜率和截距求出经验系数α和CC的大小。 [0063] (4)实船总阻力预报 [0064] 于是，得到冰区船舶总阻力的估算公式： [0065] [0066] 本发明的数据处理模块如图5所示，均已按照本发明提出的实验方法完成相关实验及参数的测量。 [0067] 第一步、第二步、第三步相关参数均为实验室所测得，COW为开阔水域阻力系数，CB为浮冰阻力系数，Fh为冰厚范围内的傅汝德数 α为傅汝德数指数，ρi为冰密度，ρw为水密度，Δρ为水密度与冰密度的差，g为重力加速度，hi为模型冰厚度，B为船宽，T为船吃水，V为航速。 [0068] 第一步：COW的确定 [0069] 由各个航速V下测得的开阔水域阻力Row [0070] 作ROW-V2曲线图，其斜率即为COW的大小。 [0071] 第二步：CB的确定 [0072] 根据公式： [0073] [0074] 得到多次重复实验(多次测得RB)下的结果，并求其均值CB，从而求出CB的大小。 [0075] 第三步：CC的确定 [0076] 根据公式： [0077] [0078] 可以看出，lnRC/(ρiBhiV2)与lnFh呈线性关系，作不同航速V下lnRC/(ρiBhiV2)-ln Fh曲线图，然后，通过曲线图的斜率和截距求出经验系数α和CC的大小。 [0079] 第四步：实船总阻力预报，Fh为实船下冰厚范围内的傅汝德数 α为实船下傅汝德数指数，ρi为实船下冰密度，ρw为实船下水密度，Δρ为实船下水密度与冰密度的差，g为实船下重力加速度，hi为实船下模型冰厚度，B为实船下船宽，T为实船下船吃水，V为实船下航速。 [0080] 冰区船舶总阻力的估算公式： [0081] [0082] 得到RT。 [0083] 综上，本发明公开了一种利用非冻结模型冰获取碎冰中船模阻力的试验方法，首先通过选择一种常规拖曳水池的非冻结模型冰来代替冰水池中的冻结模型冰，从而使不具备低温环境的拖曳水池具备了模拟碎冰工况的条件，然后在拖曳水池表面设计了独特的浮筒围栏结构，实现了对碎冰航道的模拟，并使用测力传感器实现了对不同航速下船模阻力的测量。另外，本发明采用先测量开阔水域的阻力，再在浮冰工况下测量很低航速(0.02m/s)下的阻力等手段，分离出了开阔水域阻力、浮冰阻力和清冰阻力等成分，并预报相应船模和实船在碎冰工况下的阻力性能。本发明在目前国内冰水池设施不完善的情况下，为碎冰中船模阻力的测量提供了新的思路。 |
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